LED照明中陶瓷材料的應用技術
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本文引用地址：http://www.104case.com/article/168891.htm 劉維良、駱素銘對常溫陶瓷紅外輻射做了研究，測試的陶瓷樣品紅外輻射率約0.82~0.94，對不同表面質量的遠紅外陶瓷釉面也進行了測試，輻射率約0.6~0.88，并從陶瓷斷口SEM照片中得出遠紅外陶瓷粉在釉中添加量為10wt%時的輻射性能、釉面質量、顏色和成本較佳，其輻射率達到了0.83，其他性能均達到國家日用瓷標準要求。崔萬秋、吳春蕓對低溫遠紅外陶瓷塊狀樣品進行了測試，紅外輻射率為0.78~0.94。李紅濤、劉建學研究發現，常溫遠紅外陶瓷輻射率一般可達0.85，國外Enecoat釉涂料最高輻射率可達0.93~0.94。眾多研究均表明，陶瓷材料或釉面本身具有很高的紅外輻射率，是其替代傳統鋁制散熱器的一大重要參數。為便于與實驗測試進行比較，計算機仿真分析時，將環境溫度設為15℃，得到的溫度分布如圖5所示（為便于查看，隱藏了透鏡及其固定部分）。為了比較95陶瓷燈具與鋁制壓鑄燈具的熱學性能，通過計算機仿真得到的溫度分布如圖6所示（燈具散熱器材料為鋁合金ADC12，燈座為PBT塑料，其余參數不變。） 3.3 結果分析 陶瓷燈具的燈座為95陶瓷材料（鋁制壓鑄燈具的燈座為PBT塑料），各部件得到了充分的利用。實驗測試時，1.0h基本達到熱平衡，環境溫度的算術平均值約14.4℃，將實驗測試和計算機仿真的溫度分布值進行分析比較，結果見表4所示。 計算機分析結果顯示，自然對流情況下，95陶瓷燈具的熱學性能不亞于鋁制壓鑄燈具，陶瓷燈具可以充分利用各個零部件的幾何特征，所以燈具的整體溫度降低到了較低水平。 陶瓷的使用具有悠久的歷史，現代工藝制備的陶瓷材料導熱率較高，空氣自然對流下，完全可以充當LED照明燈具的散熱材料。氮化鋁陶瓷可以直接作為封裝晶架或線路層；氧化鋁陶瓷價格便宜，燒結技術成熟，可釉成不同顏色，由于其電絕緣性能優良，并耐酸堿性，受到很多客戶的青睞。但是，陶瓷材料并不是完美無瑕的，陶瓷散熱器鰭片不能太薄（厚度≥1.5mm），密度稍大（約為鋁的1.5倍），中高應力下會產生裂紋，無釉表面容易污染等。
引言
LED是一種新型固態光源，自問世以來受到了極大的關注。它的發光機理是靠PN結中的電子在能帶間躍遷產生光能。在外電場的作用下，電子與空穴的輻射復合發生電致作用，一部分能量轉化為光能，無輻射復合產生的晶格震蕩將其余能量轉化為熱能。
目前LED的發光效率僅20%~30%，其余能量大多轉化為熱能，大量的熱能需要及時地散發出去，否則將會使LED的壽命減少，甚至永久性失效。所以，在LED快速發展的同時，人們也不斷進行著LED散熱新技術的研究。
金屬鋁材憑借著密度小、熱導率高、表面處理技術成熟的優勢，一直占據著LED照明主體材料的市場。隨著人們對安全性能要求的提高，鋁材的導電性成為其一道致命的傷疤，為了提高LED照明燈具（下文簡稱為LED燈具）的使用安全性，電絕緣材料引起了人們的重視。
開始嶄露頭角的電絕緣材料有陶瓷材料和高熱導塑料。人類對陶瓷材料的使用已有幾千年了，現代技術制備的陶瓷材料有著絕緣性好、熱導率高、紅外輻射率大、膨脹系數低的特點，完全可以成為LED照明的新材料。目前，陶瓷材料主要用于LED封裝芯片的熱沉材料、電路基板材料和燈具散熱器材料。高熱導塑料憑借著其優良的電絕緣性和低密度值，高調地進入了散熱材料市場，現階段由于價格高，應用率不大。本文主要討論陶瓷材料在LED照明中的應用技術。
1 陶瓷材料的傳熱機理
陶瓷屬于非金屬材料，晶體結構中沒有自由電子，具有優秀的絕緣性能。它的傳熱屬于聲子導熱機理，當晶格完整無缺陷時，聲子的平均自由程越大，熱導率就越高。理論表明，陶瓷晶體材料的最大導熱系數可高達320W/mK。
一般認為，在影響陶瓷材料導熱率的諸多因素中，結構缺陷是主要的影響因素。在燒結的過程中，氧雜質進入陶瓷晶格中，伴隨著空位、位錯、反相疇界等結構缺陷，顯著地降低了聲子的平均自由程，導致熱導率降低。現代陶瓷技術通過生成第二相，把氧固定在晶界上，減少了氧雜質進入晶格的可能性，隨著晶界處的氧濃度大大降低，晶粒內部的氧自發擴散到晶界處，使晶粒基體內部的氧含量降低，缺陷的數量和種類減少，從而降低聲子散射幾率，增加聲子的平均自由程。由于制備技術的不同，陶瓷材料的熱導率也不一樣，常用陶瓷材料的導熱系數如表1所示。
陶瓷材料的熱導率與添加劑含量也有著密切的關系。河北工業大學的梁廣川等人對稀土氧化物Y2O3含量與密度和導熱率的關系也做了實驗研究。他們采用的一種氮化鋁（AlN）陶瓷粉體為：平均粒度3m，氧雜質含量0.97wt%，添加劑為純度99.95%的Y2O3。
經過常壓氮氣環境燒結、拋光（光潔度0.25m）處理，粉體的Y2O3含量和導熱系數關系如圖1所示。由圖1可知，添加適量的稀土氧化物Y2O3可以使氮化鋁陶瓷的導熱系數達到160W/mK左右，已經超過了壓鑄鋁材ADC12的導熱系數（ADC12的導熱系數為96.2W/mK），完全可以用作散熱器的制作材料。
3 氧化鋁陶瓷材料的LED照明燈具研究
3.1 陶瓷LED燈具實驗測試
氧化鋁陶瓷的導熱系數與氧化鋁的成分（純度）有很大的關系（如表2所示）。常用的Nom.95%氧化鋁陶瓷（簡稱為95陶瓷）導熱系數約22.4W/mK，耐壓10kV/mm，由此制成LED燈具的樣品如圖4所示。
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